الفصل التركيبي في مغناطيسات ألنكو المصبوبة: آليات التكوين وتأثيرات الأداء المغناطيسي المحلي

1. مقدمة عن مغناطيسات ألنكو

تُعدّ مغناطيسات الألنيكو، المُكوّنة أساسًا من الألومنيوم (Al) والنيكل (Ni) والكوبالت (Co) والحديد (Fe)، من أوائل المغناطيسات الدائمة التي طُوّرت. تُصنّف هذه المغناطيسات إلى نوعين: متناحية الخواص وغير متناحية الخواص، وذلك بناءً على اتجاهها المغناطيسي. وتتميز الأنواع غير متناحية الخواص (مثل الألنيكو 5 والألنيكو 8) بقيم طاقة مغناطيسية أعلى نتيجةً لنمو البلورات الموجه. تشتهر مغناطيسات الألنيكو بثباتها الحراري الممتاز (حيث تعمل حتى 500-600 درجة مئوية) ومقاومتها للتآكل، مما يجعلها ضرورية في تطبيقات مثل صناعة الطيران والفضاء، وأجهزة الاستشعار، والأجهزة الكهربائية. مع ذلك، فإنّ انخفاض إكراهها المغناطيسي نسبيًا يُحدّ من استخدامها في البيئات ذات المجالات المغناطيسية العالية.

تُعدّ ظاهرة انفصال المكونات مشكلةً جوهريةً تؤثر على مغناطيسات الألنيكو، وهي عبارة عن توزيع غير متجانس للعناصر الكيميائية داخل المغناطيس. يمكن لهذه الظاهرة أن تُضعف الأداء المغناطيسي بشكلٍ ملحوظ من خلال تغيير الخصائص المغناطيسية المحلية، مثل المغناطيسية المتبقية (Br) والإكراه المغناطيسي (Hc) وحاصل الطاقة المغناطيسية (BHmax). تستكشف هذه المقالة آليات انفصال المكونات في مغناطيسات الألنيكو المصبوبة وتأثيراتها المحددة على الأداء المغناطيسي المحلي.

2. آليات تكوين فصل التركيب في مغناطيسات ألنكو المصبوبة

2.1 خصائص التصلب لسبائك الألنيكو

تتصلب سبائك الألنيكو عبر عملية معقدة تشمل أطوارًا متعددة، بما في ذلك طور ألفا-حديد الأولي ومزيج يوتكتيكي من طوري الحديد-كوبالت والألومنيوم-نيكل. ويُعدّ نطاق التصلب (الفرق بين درجتي حرارة السيولة والتصلب) واسعًا نسبيًا، مما يُعزز الانفصال الدقيق (التغير العنصري داخل الحبيبات) والانفصال الكلي (التغير العنصري واسع النطاق بين المناطق).

2.1.1 الفصل الجزئي

أثناء التصلب، تُطرد العناصر المذابة (مثل الكوبالت والنيكل والنحاس) من بلورات الحديد ألفا النامية، مُشكّلةً سائلاً غنياً بالمذاب عند حدود الحبيبات. إذا لم يكن التبريد كافياً للسماح بانتشار المذاب، تبقى هذه المناطق غنية كيميائياً، مما يؤدي إلى تكوّن النوى (تدرجات التركيب داخل الحبيبات). يبرز هذا الأمر بشكل خاص في المسبوكات المبردة بسرعة، حيث تكون أوقات الانتشار قصيرة.

2.1.2 الفصل الكلي

يحدث الانفصال الكلي بسبب:

• اختلافات الكثافة : قد تغرق العناصر الأثقل (مثل الكوبالت والنيكل)، بينما تطفو العناصر الأخف (مثل الألومنيوم)، مما يخلق فصلًا جاذبيًا.
• التدرجات الحرارية : يمكن أن تؤدي معدلات التبريد غير المتساوية عبر المسبوكات إلى هجرة المذاب، مما يؤدي إلى تكوين مناطق ذات تركيبات مختلفة.
• التدفق الناتج عن الانكماش : يمكن أن يتسبب انكماش الحجم أثناء التصلب في تدفق السائل، مما يؤدي إلى إعادة توزيع العناصر المذابة.

2.2 دور عناصر السبائك

تتميز العناصر الأساسية في الألنيكو (Al، Ni، Co، Fe) بسلوكيات تصلب مميزة:

• الألومنيوم (Al) : خفيف وعرضة للطفو، وغالبًا ما يتركز في الجزء العلوي من المسبوكات.
• الكوبالت (Co) والنيكل (Ni) : عناصر ثقيلة تميل إلى الغرق، مما يخلق تركيبات ثقيلة في القاع.
• النحاس (Cu) : تمت إضافته لتحسين قابلية التشغيل، لكن انخفاض ذوبانه في α-Fe يؤدي إلى الانفصال عند حدود الحبيبات.

2.3 معايير عملية الصب

العوامل التالية تزيد من حدة التمييز العنصري:

• معدلات التبريد البطيئة : تسمح حالات السيولة المطولة بمزيد من الوقت للفصل بفعل الجاذبية.
• تصميم القالب غير المتساوي : تبرد الأجزاء السميكة بشكل أبطأ من الأجزاء الرقيقة، مما يعزز الاختلافات في التركيب الإقليمي.
• عدم كفاية التحريك : يؤدي عدم التحريك أثناء التصلب إلى منع التجانس.

3. تأثيرات فصل المكونات على الأداء المغناطيسي المحلي

3.1 التغير في المغناطيسية المتبقية (Br)

المغناطيسية المتبقية هي كثافة التدفق المغناطيسي المتبقية بعد إزالة المغنطة. يؤثر الانفصال على البروم من خلال:

• إثراء حدود الحبيبات : المناطق ذات المحتوى الأعلى من الكوبالت/النيكل تُظهر نسبة أعلى من البروم بسبب زيادة التفاعلات المغناطيسية الحديدية.
• توزيع الطور : يمكن أن يؤدي الفصل إلى تغيير نسبة α-Fe (Br عالي) إلى الأطوار اليوتكتيكية (Br منخفض)، مما يخلق اختلافات محلية.

مثال : في Alnico 5، يمكن أن يؤدي الفصل المفرط للكوبالت عند حدود الحبيبات إلى زيادة البروم محليًا، ولكن التوزيع غير المتساوي قد يقلل من التجانس العام.

3.2 تقلبات في الإكراه (Hc)

الإكراه المغناطيسي هو مقاومة إزالة المغنطة. يؤثر الفصل المغناطيسي على Hc من خلال:

• تثبيت جدار النطاق : يمكن للمناطق المنفصلة (مثل المناطق الغنية بالنحاس) أن تعمل كمواقع تثبيت، مما يزيد من Hc محليًا.
• تأثيرات حدود الطور : تؤدي التوزيعات الطورية غير المتجانسة إلى تعطيل محاذاة المجال المغناطيسي، مما يقلل من Hc في بعض المناطق.

دراسة حالة : أظهرت الأبحاث التي أجريت على Alnico 8 أن المواد المنفصلة الغنية بالكوبالت زادت من Hc بنسبة 10-15٪ في المناطق المحلية، لكن Hc العالمي ظل دون تغيير بسبب التأثيرات التعويضية.

3.3 التغيرات في ناتج الطاقة المغناطيسية (BHmax)

يُعدّ BHmax، وهو حاصل ضرب المغناطيسية المتبقية والإكراه، مؤشرًا رئيسيًا للأداء. ويؤثر الفصل على BHmax من خلال:

• توزيع الطاقة غير المنتظم : المناطق ذات نسبة البروم العالية ولكن نسبة الهيدروجين المنخفضة (أو العكس) تقلل من إجمالي BHmax.
• عدم التجانس الميكروي : تخلق حدود الطور الناتجة عن الانفصال "روابط ضعيفة" في الدائرة المغناطيسية، مما يؤدي إلى انخفاض BHmax.

الأدلة التجريبية : وجدت دراسة أجريت على Alnico 6 أن الانفصال الكلي يقلل من BHmax بنسبة تصل إلى 20٪ في المناطق المتضررة بشدة.

3.4 آثار استقرار درجة الحرارة

تكمن ميزة مادة الألنيكو في ثباتها عند درجات الحرارة العالية. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي الانفصال إلى الإضرار بهذا الثبات من خلال:

• التمدد الحراري التفاضلي : تتمدد/تنكمش المناطق المنفصلة بشكل مختلف، مما يؤدي إلى إجهادات داخلية تتدهور الأداء المغناطيسي.
• تغيرات التحول الطوري : قد يؤدي الانفصال إلى تغيير درجات حرارة التحول الطوري، مما يؤثر على الاستقرار.

مثال : في Alnico 5، أظهرت المواد المنفصلة الغنية بالكوبالت درجة حرارة كوري أقل بمقدار 5-10 درجة مئوية من الكتلة، مما يقلل من استقرار درجة الحرارة العالية.

4. استراتيجيات التخفيف من آثار الفصل بين المكونات

4.1 تحسين العمليات

• التبريد السريع : يزيد من معدلات التكوين النووي، ويقلل من الانفصال عن طريق تقصير أوقات الانتشار.
• التصلب الاتجاهي : يعمل على محاذاة الحبيبات العمودية لتقليل الانفصال العرضي.
• التحريك الكهرومغناطيسي : يحرك المصهور لتجانس التركيب.

4.2 المعالجات اللاحقة للصب

• المعالجة الحرارية للتجانس : يتم تثبيت المغناطيس عند درجات حرارة عالية (1100-1200 درجة مئوية) لتعزيز انتشار المذاب.
• الضغط المتساوي الساخن (HIP) : يطبق ضغطًا عاليًا لإغلاق المسام وتقليل العيوب الناتجة عن الانفصال.

4.3 تعديلات تصميم السبائك

• إضافات العناصر النزرة : يمكن لكميات صغيرة من التيتانيوم أو الزركونيوم أو العناصر الأرضية النادرة (مثل اللانثانوم والسيريوم) أن تنقي الحبيبات وتقلل من الانفصال.
• تعديلات التركيب : إن تحسين نسب الألومنيوم والكوبالت والنيكل يقلل من نطاق التصلب وميل الانفصال.

5. دراسات الحالة والرؤى التجريبية

5.1 مغناطيس ألنكو 5 مع فصل مقصود

أدخلت دراسةٌ فصلًا مُتحكمًا فيه للكوبالت في سبيكة ألنكو 5 عن طريق تغيير معدلات التبريد. وأظهرت النتائج ما يلي:

• زيادة محلية في مستوى البروميثيوم : سجلت المناطق المنفصلة مستويات بروميثيوم أعلى بنسبة 5-8%.
• تباين Hc : تذبذبت الإكراهية بنسبة ±10% عبر المغناطيس.
• انخفاض BHmax : انخفض BHmax الإجمالي بنسبة 7٪ بسبب عدم التجانس.

5.2 ألنكو 8 مطعّم بالعناصر الأرضية النادرة

أدى إضافة 0.5% وزناً من اللانثانوم إلى حبيبات ألنكو 8 المكررة إلى تقليل الانفصال الكلي بنسبة 30%. وقد نتج عن ذلك ما يلي:

• تحسين تجانس البروم : انخفض الانحراف المعياري للبروم من 0.02 تسلا إلى 0.005 تسلا.
• استقرار Hc المحسن : انخفض تباين الإكراه عبر المغناطيس من ±15 كيلو أمبير/متر إلى ±5 كيلو أمبير/متر.

6. الخاتمة

ينشأ انفصال المكونات في مغناطيسات ألنكو المصبوبة من خصائص التصلب، وسلوك العناصر، ومعايير الصب. ويؤثر هذا الانفصال بشكل كبير على الأداء المغناطيسي الموضعي من خلال إحداث اختلافات في المغناطيسية المتبقية، والإكراه المغناطيسي، وحاصل الطاقة، مع التأثير سلبًا على استقرار درجة الحرارة. ويمكن لأساليب التخفيف، مثل تحسين عملية الصب، والمعالجة اللاحقة، وتصميم السبائك، أن تقلل من هذا الانفصال، مما يعزز التجانس والأداء. وينبغي أن تركز الأبحاث المستقبلية على تقنيات الصب المتقدمة (مثل التصنيع الإضافي) وتركيبات السبائك الجديدة لتقليل انفصال المكونات في مغناطيسات ألنكو إلى أدنى حد ممكن.

من خلال معالجة مشكلة الفصل، يمكن للمصنعين إنتاج مغناطيسات ألنكو بتناسق فائق، مما يتيح استخدامها المستمر في التطبيقات عالية الدقة حيث تكون الموثوقية أمراً بالغ الأهمية.